A Sejtmembrán Szerkezete, Nyugalmi Membránpotenciál

Átírás

1 Fizika-Bifizika I. 2015/ előadás A Sejtmembrán Szerkezete, Nyugalmi Membránptenciál Kapcslódó irdalm: Orvsi bifizika (szerk. Damjanvich Sándr, Fidy Judit, Szöllősi Jáns) Medicina Könyvkiadó, Budapest, 2006 A bifizika alapjai (szerk. Rntó Györgyi, Tarján Imre). Semmelweis Kiadó, Budapest, 1997 Maróti Péter, Laczkó Gábr: Bevezetés a bifizikába. JATEPress, Szeged, 1998 Kapcslódó multimédiás anyag: Az előadás témakörei: 1. Bilógiai membránk 2. Elektr-kémiai ptenciál 3. Egyensúlyi ptenciál 4. Nyugalmi membrán ptenciál Bilógiai membránk Bilógiai membránk (citplazma, sejten belüli membránféleségek) közös jellemzője: Nem kvalens kötésekkel összetarttt lipidekből és fehérjékből állnak. A lipidek, fszflipidek (diglicerid + fszfát csprt + szerves mlekula (pl. klin)). 1

2 Fizika-Bifizika I. 2015/2016 Irving Langmuir 1917-ben írta le, hgy a zsírk egy rétegben rendeződnek el a víz felszínén. Plárs feji részük (hidrfil) a víz felé rientált, míg aplárs farki részük (hidrfób) távl helyezkedik el a vizes fázistól. A vörösvértestek felszínének és lipid tartalmának összehasnlítása srán azt találták, hgy a vvt membránja kétszer annyi lipidet tartalmaz, mint amennyi kell egy réteg kialakításáhz. Következtetésük az vlt, hgy a vvt-ket kettős lipidréteg határlja. Hidrfób kölcsönhatásk jelentősége a membránk kialakulása srán hidrfób = víztaszító; alacsny affinitás (ldéknyság) vízhez Az aplárs mlekulák plárs környezetben (ldószer) minimalizálják a kapcslatukat a vízmlekulákkal. Először ketrecek majd klaszterek kialakulása figyelhető meg. A hidrfób kölcsönhatás erejét több tényező beflyáslja: hőmérséklet (T erősség) a szénatmk száma az aplárs régióban (Hssz Erősség ) a nem egyszeres kötések száma az aplárs régióban (pl. kettős-, hármas-kötés, ) (alak) (nem egyszeres kötések száma Erősség ) Termdinamikai váltzásk a hidrfób kölcsönhatásk kialakulása srán ketrec -ek (nincs kapcslat a hidrfób mlekulák között) kialakulását kísérő termdinamikai váltzásk H = kicsit pzitív S = nagyn negatív G = pzitív Nem spntán flyamat! klaszter képződést (hidrfób kapcslat kialakulása) kialakulását kísérő termdinamikai váltzásk 2

3 Fizika-Bifizika I. 2015/2016 H = kicsit pzitív S = nagyn pzitív G = negatív spntán flyamat! Flyékny Mzaik mdell 1972-ben S.J. Singer és Garth L. Niclsn alkttt mdell a sejtmembrán felépítéséről A membránkat fszf-lipid kettősréteg alktja Flyékny (flyadékszerű) membrán kmpnensek ldalirányú szabad mzgása Mzaik különböző makrmlekulákból, mzaikszerűen összeraktt szerkezete Az intra- és extra-celluláris tér fő összetevői Víz Ink Katink (K+, Na+, Ca2+) Anink (Cl-, H2PO4 és HPO42 ink) Fehérjék Főleg intracellulárisan Többnyire negatívak (ph! izelektrms pnt) Nyugalmi membránptenciál A sejtmembrán két ldala között kialakuló elektrms ptenciálkülönbség (V). Értéke sejttípusnként eltérő (-100 mv > Uresting < -30 mv) A töltött részecskék mzgását beflyásló erők (hajtóerők): elektr-kémiai ptenciál Kémiai ptenciál: A kémiai ptenciálja egy termdinamikai rendszernek azzal az energiamennyiséggel egyenlő, amennyivel a rendszer teljes energiája megnőne, ha növelnénk a rendszerben lévő alktóelemek számát. 3

4 Fizika-Bifizika I. 2015/2016 Kncentráció grádiens hatására diffúzió történik (részecskék mzgása a nagybb kncentrációjú helyről a kisebb kncentrációjú hely felé) melynek eredménye a diffúziós ptenciál lesz. Elektrms ptenciál: Az elektrms térben lévő töltött részecskére vnatkzó energiamennyiség. Az elektrms tér erőt fejt ki a töltött részecskére (ink, fehérjék), melynek következtében a töltött részecskék mzgása indul meg, azaz elektrms áram jön létre. Bernstein kálium hiptézise (1902) A nyugalmi membránptenciál kialakításáért a mzgékny káliumin tehető felelőssé. A káliumin mzgásának kai: A sejtmembrán szelektíven átjárható a kálium inra nézve Ca2+ érzékeny kálium csatrna befelé egyenirányító kálium csatrna feszültség-függő kálium csatrna Tandem ismétlődő, két pórusú kálium csatrna (K2p) ( Tandem pre dmain ptassium channel leak channel ) Az ink szivárgását először 1952-ben Hdgkin és Huxley vetette fel Első leírás: Ketchum, KA; Jiner, WJ; Sellers, AJ; Kaczmarek, LK; Gldstein, SA. (1995) A new family f utwardly rectifying ptassium channel prteins with tw pre dmains in tandem. Nature, 376 (6542): Az intracelluláris kálium kncentráció magas Az extracelluláris kálium kncentráció alacsny Nernst-egyenlet: Egyensúlyi ptenciál: Mekkra elektrms ptenciál (E) képes egyensúlyban tartani a kialakult kncentráció grádienst (c1/c2). A befelé és kifelé történő ináramk dinamikus egyensúlyban vannak. E = RT zf ln c 1 c 2 nem egyezik a kísérleti eredményekkel: az ink nem függetlenek egymástól, és nem zárt rendszerben vannak. 4

5 Fizika-Bifizika I. 2015/2016 Dnnan ptenciál Dnnan egyensúly v. Dnnan megszlás eredménye Eltérő mzgéknyságú ink (K+, Cl-) szemipermeábilis hártyán való átdiffundálása srán diffúziós ptenciál alakul ki. Ha az egyik töltött kmpnens nem tud átlépni a membránn (pl. intracelluláris fehérjék), akkr egyensúlyi kncentráció különbség fg kialakulni a membrán két ldala között. Gldman-Hdgkin-Katz egyenlet A sejtmembránn keresztüli ptenciál meghatárzásáhz figyelembe kell venni, hgy a sejtek milyen mértékben képesek átereszteni egyes inkat (PERMEABILITÁS!). A membránptenciál kialakulása egy kmprmisszum eredménye, melynek srán az egyensúlyi ptenciálkat, a membránpermeabilitásk súlyztt értékeit és az abszlút inkncentrációkat egyaránt figyelembe kell venni. 5